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电子产品的导光柱设计的3大定律

LED灯光常用于电子产品的使用者操作指示信号,电子产品的LED灯通常表面贴装(SMT)于电子产品内部的印刷线路板。导光柱可以将产品内部的LED灯光传输到产品面板上,以显示产品相关的工作状态,导光柱就是将产品内部的LED灯

LED灯光常用于电子产品的使用者操作指示信号,电子产品的LED灯通常表面贴装(SMT)于电子产品内部的印刷线路板。导光柱可以将产品内部的LED灯光传输到产品面板上,以显示产品相关的工作状态,导光柱就是将产品内部的LED灯光以最小的损耗传输到产品面板的零件。

电子产品的导光柱设计的3大定律

一.导光柱材料

导光柱通常采用光学材料制成,如:丙烯酸树脂(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、环氧树脂和玻璃。丙烯酸树脂、聚碳酸酯属于塑胶材料,成型容易,价格适中,是电子产品最常用的导光柱材料。


二.导光柱的光学导光原理

导光柱设计应用到的光学导光原理有光的折射定律(菲涅耳定律)、菲涅耳损耗(Fresnel Loss)定律和完全内反射原理。

1.光的折射定律

当光线入射到两种不同的介质的交界面时,如丙烯酸树脂和空气,光线在通过这个交界面时会产生折射。射入光线与垂直于交界面的法线的夹角叫做入射角,离开光线与垂直于交界面的法线的夹角叫做折射角。

电子产品的导光柱设计的3大定律

2.菲涅耳损耗(Fresnel Loss)定律

当光线通过交界面从一种介质进入另一种介质时,光线会因为在交界面上产生反射而产生损耗,这种损耗称作菲涅耳损耗。光线从空气射入玻璃时,以及光线从玻璃射入空气时都会因为反射而各发生4%的菲涅耳损耗。

电子产品的导光柱设计的3大定律

3.完全内反射原理

当光线从折射率大的介质射入折射率小的介质时,部分光线会被分界面折射进入折射率小的介质,其余光线会被分界面反射回折射率大的介质,当光线入射角达到或大于折射率大的介质的完成内反射临界角时,折射出的光线将沿分界面向前传播或向介质内部反射,而不进入另一介质。

导光柱常用材质丙烯酸树脂或聚碳酸酯的折射率约为1.5,空气的折射率为1.0,通过折射率可算得丙烯酸树脂或聚碳酸酯的完全内反射临界角为42∘。当光线从导光柱内部射在导光柱表面与空气的分界面时,入射角达到或大于42∘的光线则不会从分界面逃逸入空气。

电子产品的导光柱设计的3大定律

三.导光柱设计

实际产品设计时,要将产品内部的LED灯光以最小的损耗传输到产品的面板,导光柱可能是平直的,也可能需要拐弯;根据菲涅耳损耗定律,只有当光源的LED灯无间隙地埋置于导光柱内部,光源的LED灯光才可能完全耦合进导光柱,实际设计时,导光柱与光源的LED灯之间一般都要预留装配间隙,所以,光源的LED灯光实际上不可能,也没必要全部耦合进导光柱;实际的LED灯光不可能全部是平行地耦合进入导光柱且向前传播的,相当部分的LED灯光实际上是在导光柱内部不断完全内反射地向前传播的,部分照射于导光柱侧壁的LED灯光可能会从导光柱侧壁逃逸进入空气。因此,导光柱的结构需要根据实际产品的光源位置、灯光需要到达的位置、灯光可以经过的路径进行特定的设计。


1.导光柱的输入端设计

在保证LED灯射出的光线有效的被传输和利用之前,必须首先保证它被有效地耦合进导光柱的输入端。在实际产品中,导光柱输入端与LED灯之间一般都要保留装配间隙,导光柱设计时必须要尽量做到LED灯的光线辐射角与导光柱输入端的光线接收角相匹配。导光柱的输入端应当光滑,平坦或者内凹,并且匹配LED灯的外形,以保证导光柱高效地捕获LED灯的光线。

对于表面贴装在印刷线路板上的发光区域是平坦表面的LED灯,导光柱的输入端应当做成光滑的且与LED灯表面平行的平面,导光柱输入端应尽可能地贴近LED灯的发光面,导光柱的输入端要比LED灯的发光面略大,以保证捕获较多的光线。

大多数表面贴装在印刷线路板上的LED灯的光线是发散的,光线既从顶部射出也从侧面射出,一般只有40%的光是从LED灯顶部射出的,另外60%的光是从LED灯侧面射出的。对于这种LED,光滑且内凹的导光柱输入面将有效地提高捕获率,光滑且内凹的输入端的导光柱大约可以捕获70%-80%的灯光。这种光滑且内凹的输入端设计可以应用于任何导光柱与LED灯的组合,以提高光线捕获能力。


2.导光柱的外表面设计

导光柱平行于光线传播方向的侧壁应当非常光滑,像镜子一样。否则,凸凹不平的分界面遍布随机的完全内反射临界角,近半的光线会因入射角小于完全内反射临界角而逃逸进入空气,而且整个导光柱表面都有光线逃逸进入空气,原本射在光滑的分界面的光线是完全内反射向前传播的,同样的光线如射在凹凸不平的分界面则逃逸进入空气。导光柱外表面的光滑是导光柱正常工作的重要保证。

电子产品的导光柱设计的3大定律

导光柱的侧壁可以涂上白色反光涂料,以使入射角度小于导光柱完全内反射临界角的光线也能镜面反射回导光柱内部,而不从导光柱侧壁逃逸到空气中造成损耗。只要导光柱拐角设计合理,光线从导光柱侧壁逃逸的机率不大,一般导光柱侧壁做高光面处理即可。


3.导光柱的输出端设计

导光柱的输出端设计与侧壁设计恰好相反,导光柱的输出端表面应当遍布随机的临界角,以使导光柱内的光线以随机的角度入射到导光柱与空气的交界面上,保证光线可以从导光柱内部较容易地逃逸出来,同时将光线以极宽的角度散射出去,这样不论从哪个角度看过去导光柱的输出端都是亮的。通常导光柱输出端模具做咬花或喷砂处理。


4.导光柱的拐角设计

导光柱可能需要弯曲,为了减少光线在导光处因入射角小于导光柱完全内反射临界角而从导光柱侧壁逃逸的损耗,导光柱弯曲半径应当大于等于导光柱厚度的2倍(方形导光柱)或导光柱直径的2倍(圆柱形导光柱)。如果导光柱只能做成急速的90°转角,则可以在其转角处制作一个反射镜来改变光的方向。

电子产品的导光柱设计的3大定律

四.导光柱的材料处理

导光柱一般都是用透明的丙烯酸树脂和聚碳酸酯制作而成的,导光柱零件上除了导光结构,还有安装固定结构,透过透明的导光柱很容易看到导光柱的内部结构,可以在导光柱射出成型时在胶粒里添加一定比率的汰白粉,使导光柱呈雾状,这样,从产品外部即无法看到导光柱内部结构,而且,光线在导光柱内部照到汰白粉而漫反射,可以使光线更均匀。


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